（机械电子工程专业论文）铣槽机床测量加工数控系统的开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n s p e c t i o nt e c h n o l o g yi sr e q u i r e dt og u a r a n t e et h eq u a l i t ya n dm a c h i n i n gp r e c i s i o no f p r o d u c t s a tt h em e a nt i m e ，t h et e c h n i q u eo f3 m ( m e a s u r i n g ，m o d e l i n g ，m a n u f a c t u r i n g ) i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g h a sb e e n w i d e l ya p p l i e d a s t h e n e c e s s a r yp a r t o f3 m i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e ，t h ea p p l i c a t i o n o fr e a lt i m e i n s p e c t i o ns y s t e m b e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t r a d i t i o n a l l y ，h o l e ss h o u l db ed r i l l e dt op o s i t i o nt h e p a r ti nt h em a c h i n i n g o f d i s t r i b u t i n gg r o o v e s o fa u t o m o b i l er e d i r e c t o r si n p u ta x i s ，w h i c h i so fl o w e f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o n t oc o n q u e r t h i sh i n d r a n c eo ft h er a p i d d e v e l o p m e n t o f m d i r e c t o r p r o d u c t i o nl i n e ，c o m b i n i n g t h e3 mt e c h n o l o g yw i t hn u m e r i c a lc o n t r o l t e c h n o l o g y i nm a n u f a c t u r i n go fs l o t t e ri sn e c e s s a r y s e v e r a la s p e c t sa sf o l l o w i n gh a v e b e e ni n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s ： ( 1 ) t h ed e v e l o p m e n t m e t h o do ft h e s p e c i a l d e v i c ec o n t r o ls o f t w a r eb a s e do n o s a c n ci sa n a l y z e d t h ec o n t r o ls o f t w a r eo ft h es l o t t e rc n c s y s t e mi ss u c c e s s f u l l y d e v e l o p e d o nt h e o p e np l a t f o r m ( 2 ) t h es y s t e ma r c h i t e c t u r eo fr e a lt i m e i n s p e c t i o ns y s t e m i nt h e m a c h i n i n g p r o c e s s e si sd i s c u s s e d a n dt h em e t h o d o f d e s i g n i n gs o f t w a r ea n d h a r d w a r eo fr e a lt i m e i n s p e c t i o ns y s t e m i sp r e s e n t e d ( 3 ) i nr e s p o n s e t ot h ef e a t u r eo fd i s t r i b u t i n gg r o o v e ，q u i c kp o s i t i o n s e t t i n gi nt h e m a c h i n i n gp r o c e s sb yu s i n gt h ei n d u c t a n c et y p eg a u g eh e a da st h ep o s i t i o n - s e t t i n gt o o l h a sb e e na p p l i e d ，a n dt h r e em e a s u r i n ga r i t h m e t i c sa r eb r o u g h tf o r w a r d a tt h em e a nt i m e ， t h e p a t hp r o g r a m m i n gi n t h e p r a c t i c a b l ep r o c e s s i s p r e s e n t e d s oa st os o l v es o m e p r a c t i c a lp r o b l e m s i nt h ep r o c e s s e so f m e a s u r i n g a n dm a c h i n i n g o nb a s i so ft h ei t e m sm e n t i o n e da b o v e ，f i r s td o m e s t i cy j s k 0 0 2s l o t t e rc n cs y s t e m i sa c c o m p l i s h e d ，w h i c hi sp o r t a b l et oo p e r a t ea n dc a ni m i t a t em a c h i n i n gp r o c e s so n - l i n e t h r o u g ht e c h n i c a l - c a r dp r o g r a m m i n g k e y w o r d s ：n c m a c h i n i n g ，n cm e a s u r i n g ，s l o t t e r ，r e d i r e c t o r ，d i s t r i b u t i n gg r o o v e 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1绪论 以计算机为主导和核心的信息技术的日新月异，促进了数控技术的诞生和快速 发展。当前数控技术的发展趋势是高速、高精、智能化和柔性自动化。同时与数控 加工紧密相关的检测技术作为产品质量的保证，其地位也越来越重要。由于计算机 控制的实时检测系统完全克服了人工检测效率和精度低下的问题，因而得到了广泛 的应用。 由于机械加工检测领域的不断扩大，检测对象范围的不断延伸，从而对检测系 统提出了快速、可靠地嵌入到控制系统中的要求。这使得在数控系统中嵌入实时检 测系统，使之成为具有测量一建模一加工( m e a s u r i n g ，m o d e l i n ga n dm a n u f a t u r i n g ) 一体的3 m 集成化设备，正成为当今机械加工发展的一个方向。 1 2 数控加工系统中的测量技术 坐标测量技术已广泛应用于机械制造行业，但是到目前为止，坐标测量技术的 作用基本上仍局限于产品精度的检测，远远未能发挥其更重要的作用。坐标测量技 术除了用于产品几何精度检测外，在具有测羹功能的数控加工系统中，完全可以利 用所采集的数据，编制适合该工件加工的控制算法，完成精确定位、加工。数控仿 形加工系统是测量技术应用于数控加工的典型加工实例，本文所要讨论的铣槽机床 数控系统实现了自动测量、加工，也是测量技术在数控加工中成功应用的实例。 这种具有测量功能的数控加工的控制过程可以概括为数据获取、数据处理、决 策和控制三个阶段“1 。数据获取是自动加工的基础，数据获取必须通过测量来实现。 在这类数控加工系统中，测量系统一方面获取测头的偏移量，该偏移量作为加工控 制的依据，反应了加工工件表面轮廓：另一方面，获取测头在工件坐标系中的坐标 值，作为下一步进行数字化处理的依据，这两方面是同时进行的，需要实时任务调 度才能实现。根据所获得的坐标值和测头偏移量的关系，构造数学模型，然后再进 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1绪论 以计算机为主导和核心的信息技术的日新月异，促进了数控技术的诞生和快速 发展。当前数控技术的发展趋势是高速、高精、智能化和柔性自动化。同时与数控 加工紧密相关的检测技术作为产品质量的保证，其地位也越来越重要。由于计算机 控制的实时检测系统完全克服了人工检测效率和精度低下的问题，因而得到了广泛 的应用。 由于机械加工检测领域的不断扩大，检测对象范围的不断延伸，从而对检测系 统提出了快速、可靠地嵌入到控制系统中的要求。这使得在数控系统中嵌入实时检 测系统，使之成为具有测量一建模一加工( m e a s u r i n g ，m o d e l i n ga n dm a n u f a t u r i n g ) 一体的3 m 集成化设备，正成为当今机械加工发展的一个方向。 1 2 数控加工系统中的测量技术 坐标测量技术已广泛应用于机械制造行业，但是到目前为止，坐标测量技术的 作用基本上仍局限于产品精度的检测，远远未能发挥其更重要的作用。坐标测量技 术除了用于产品几何精度检测外，在具有测羹功能的数控加工系统中，完全可以利 用所采集的数据，编制适合该工件加工的控制算法，完成精确定位、加工。数控仿 形加工系统是测量技术应用于数控加工的典型加工实例，本文所要讨论的铣槽机床 数控系统实现了自动测量、加工，也是测量技术在数控加工中成功应用的实例。 这种具有测量功能的数控加工的控制过程可以概括为数据获取、数据处理、决 策和控制三个阶段“1 。数据获取是自动加工的基础，数据获取必须通过测量来实现。 在这类数控加工系统中，测量系统一方面获取测头的偏移量，该偏移量作为加工控 制的依据，反应了加工工件表面轮廓：另一方面，获取测头在工件坐标系中的坐标 值，作为下一步进行数字化处理的依据，这两方面是同时进行的，需要实时任务调 度才能实现。根据所获得的坐标值和测头偏移量的关系，构造数学模型，然后再进 华中科技大学硕士学位论文 行数控编程，实现测量、建模和加工一体化。 在测量过程中，测头获得被测工件表面的几何信息，测量控制系统驱动测头到 待测点附近，对未知模型，数控系统所起的作用仅仅是控制测头沿着某个平面、某 条空间曲线作相对运动。因此，测头性能的好坏，在某种意义上来说决定着测量方 式的难易和测量精度的高低。 这类数控加工的实现般是把测量与加工所必需的数据采集、数据处理、加工 控制分成几个实时任务，并把这些实时任务加入数控系统的实时任务系统中，由数 控系统的实时调度模块统管理，以满足测量与加工的实时性要求。 1 2 1 国内外相关领域研究概况 检测是人类认识物质世界、改造物质世界的重要手段。当今时代，检测技术的 作用越来越大，检测设备就像神经和感官，源源不断地向人们传输各种有用的信息。 检测的自动化归功于计算机技术的发展，1 9 4 6 年，美国宾夕法尼亚大学在美籍匈牙 利数学家冯纽曼的设计思想指导下研制出世界上第一台电子计算机，为现代检测 技术的发展提供了有效的手段。 美国俄亥俄航空技术研究所于1 9 9 4 年提出了快速敏捷测量技术( r a p i da g i l e m e t r o l o g y f o r m a n u f a c t u r i n g ，r a m m ) 的思想，并作为高技术项目得到了美国标准化 与技术局的资助。鼬m m 技术研究的目的是为了满足汽车和航空制造业中高速流 水线、低废品率生产过程的质量控制要求。在汽车和航空制造业中，大量的零件采 用高速流水线生产，每个零件的关键尺寸必须被精密检测，并将测量信息返回给制 造系统，以保证严格的公差尺寸要求，上述精密检测过程在制造过程中往往成为一 个瓶颈。目前应用的各种测量设备( 大部分是三坐标测量机) 存在测量速度慢、定 位费时、测头昂贵且易损坏等缺点。因此，研究应用于车间级具有柔性、快速、高 精度的检测设备成为必然要求。 近年来，国外的很多数控机床都先后配置了检测装备，以提高工件的加工效率 和精度。如德国w a l t e r 公司生产的数控工具磨床，以其无接触测量方法，全自动多 重传感测量技术，可对复杂精密刀具和工件进行测量。丹麦索伦可公司的v i n k i n g u s 2 5 0 型刀具磨削中心，配置了工件自动测量定位系统( m a r p o s s 自动电字测 头) ，该系统与机床控制系统相连接，进行自动程序控制，并将工件螺旋角、导程、 2 华中科技大学硕士学位论文 起始点等参数自动输入控制系统，实现整个加工过程的自动磨削。德国s c h u 舱公 司的w u 4 0 5 c n c 工具磨床，其自动工件测量系统使用了三维测量单元，可以提供 重要的测量参数。德国s a a c k e 公司的u w c n c 5 a 工具磨床，其自动测量系统使用 了三维触发式测量单元，可为实现一次装夹完成各类复杂刀具进行重磨提供位置参 数。英国的雷尼绍( r e n i s h a w ) 公司已针对大多数数控系统开发了测量软件，包括 加工中心用工件测量软件、加工中心用刀具测量软件、数控车床用工件测量软件和 数控车床用刀具测量软件等。 国内在这方面也有很多的应用，如大连理工大学卢杰持教授组织研制的“曲面 自动跟踪测量和密集数据采集系统d i g i t 0 2 c ”，在数控仿型机床上通过仿型头实现 实物模型跟踪测量和仿型加工”“。该系统有三个特点：伯) 三维电感测头自动跟踪 测量实物表面：( b ) 密集数据采集和存储：( c ) 数控仿型加工或利用密集数据编制数 控加工指令，供其它数控机床使用。青海机床厂生产的加工中心，主轴配上英国 r e n i s h a w 三维电感测头，先仿形测量，后编制数控指令进行数控加工，构成数控仿 型测量与加工系统。 1 2 2 存在的问题 1 检测系统如何嵌入控制系统 检测设备一般都是独立使用的，但是随着现代数控技术的发展，控制软件已提 供了非常强大的功能，完全可以将检测系统作为数控系统的一个子系统，c p u 、工 作台、运动轴以至于许多输入、输出信号等都可以与数控系统共同使用，检测系统 的组建只需将与信号采集有关的部分与计算机连接好，就可将检测系统嵌入到数控 系统，作为控制系统的一个子模块。因此，研究如何将检测系统更快地、可靠地集 成到数控机床上，使之成为具有测量、建模和加工功能的3 m 集成设备成为迫切需 要解决的问题。 2 检测系统的抗干扰和检测精度分析 机械加工的现场环境比较恶劣，这对于许多精密检测来说是致命的威胁，震动、 噪音、电磁、油污等干扰都会影响检测精度，进而影响加工质量。很多检测设备， 由于对工业现场因素考虑的不够周全，造成无法在现场应用或使用的效果不佳，因 此，对于应用在工业现场的检测设备，阻止各种干扰或提高系统的抗干扰性也是一 华中科技大学硕士学位论文 个很值得研究的问题。 检测系统嵌入到数控系统以后，检测误差的分析将变得更为复杂。这时，不但 要考虑检测设备本身的影响，还应综合考虑机床和控制系统等因素对检测系统的影 响。上个世纪9 0 年代以来，开放式数控系统已成为市场主流，其开放式、模块化 的体系结构使得检测子系统可以方便、快捷的嵌入。 1 3 开放式数控系统概述 近5 0 年来随着计算技术、信息、网络技术的飞速发展，封闭、专用系统越来 越暴露出固有的问题，不同的操作系统、编程语言、人机界面、通讯接口等，给数 控系统的设计者和集成者试图在较短的时间内，采用快速的方法，依据集成环境设 计新的系统造成了极大的困难。为此，人们提出了标准化，即开放式数控系统的设 计问题m 。 1 3 1 开放式数控系统的特点 对于开放式数控系统，i e e e 给出的定义为：一个开放式系统应能使得各种应 用系统可以有效地运行于不同供应商提供的不同平台之上；可以与其它应用系统相 互操作并且提供与用户交互的统一风格。开放式数控系统既具有接口的开放性，还 具有自身功能的开放性。它具有以下特点”1 ： 1 可移植性 可移植性是指不同应用程序模块能运行于不同厂家生产的系统平台上，同时， 系统的软件平台也可以运行于类型和特征不同的硬件平台上。一个应用软件的选购 和使用可以与它所使用的系统无关。具备可移植特性的系统，可使用户具有更大的 软件选择余地，通过选购适应多种系统的软件，费用可以显著降低。在应用软件的 开发过程中，重复投入费用降低。可移植性也包括对用户的适应性，要求c n c 系 统具有统一风格的交互界面，使用户适应一类控制器的操作，而无需对该控制器的 使用重掰进行费时费力的培训。 2 可互操作性 在集成环境下，c n c 系统应能和不同系统彼此互连，实施正确、有效的信息互 华中科技大学硕士学位论文 个很值得研究的问题。 检测系统嵌入到数控系统以后，检测误差的分析将变得更为复杂。这时，不但 要考虑检测设备本身的影响，还应综合考虑机床和控制系统等因素对检测系统的影 响。上个世纪9 0 年代以来，开放式数控系统已成为市场主流，其开放式、模块化 的体系结构使得检测子系统可以方便、快捷的嵌入。 1 3 开放式数控系统概述 近5 0 年来随着计算技术、信息、网络技术的飞速发展，封闭、专用系统越来 越暴露出固有的问题，不同的操作系统、编程语言、人机界面、通讯接口等，给数 控系统的设计者和集成者试图在较短的时间内，采用快速的方法，依据集成环境设 计新的系统造成了极大的困难。为此，人们提出了标准化，即开放式数控系统的设 计问题m 。 1 3 1 开放式数控系统的特点 对于开放式数控系统，i e e e 给出的定义为：一个开放式系统应能使得各种应 用系统可以有效地运行于不同供应商提供的不同平台之上；可以与其它应用系统相 互操作并且提供与用户交互的统一风格。开放式数控系统既具有接口的开放性，还 具有自身功能的开放性。它具有以下特点”1 ： 1 可移植性 可移植性是指不同应用程序模块能运行于不同厂家生产的系统平台上，同时， 系统的软件平台也可以运行于类型和特征不同的硬件平台上。一个应用软件的选购 和使用可以与它所使用的系统无关。具备可移植特性的系统，可使用户具有更大的 软件选择余地，通过选购适应多种系统的软件，费用可以显著降低。在应用软件的 开发过程中，重复投入费用降低。可移植性也包括对用户的适应性，要求c n c 系 统具有统一风格的交互界面，使用户适应一类控制器的操作，而无需对该控制器的 使用重掰进行费时费力的培训。 2 可互操作性 在集成环境下，c n c 系统应能和不同系统彼此互连，实施正确、有效的信息互 华中科技大学硕士学位论文 通，同时在信息互通的基础上，能信息互用，完成应用处理的协同工作。在单机工 作的情况下，能够以公用的软件集合及硬件集合成功地解决所有的数字控制器的问 题，而不需要对同一处理方式的用途不同的数控控制器重复编制软件。开放式c n c 系统在完成运动控制、机器人控制、c n c 控制以及p l c 控制功能时，其基本软件 系统能不作变动地应用于上述数字控制的场合。另外，由于在p c 机上具有丰富的 软件资源，c n c 系统应能充分利用它们，包括应用这些软件产生的有用信息，能方 便地和这些软件进行信息互通和互用，完成应用处理的协同工作。 3 可互换性 指构成系统的各部件依据其功能、可靠性及性能要求相互可以代替。构成开放 式体系结构的系统，不受唯一供应商所控制，也无需为此付出昂贵的版权使用费。 相反，只需支付合理的或较少的费用，即可获得系统的各组成件，并且可以有多个 来源。 4 可扩展性 开放式数控系统可以方便的使用户或二次开发者安全有效的将自己的软件集 成到n c 系统中，形成自己专用系统。方法有两种：一是用固定模块内部结构，预 留插入用户专用软件接口；二是提供给用户系统a p i 和编程规范，供用户编制专用 模块。数控系统功能的增减只需功能模块的装卸。 根据基于华中i 型开放式数控系统进行扩展应用的经验和体会，开放式数控系 统具有以下几个优势：( 1 ) 具有强大的适应性和灵活配置能力，能适应各种设备， 可灵活配置，随意集成；( 2 ) 控制软件具有及时扩展和联接功能，可以顺应新技术 的发展，加入各种新功能：( 3 ) 不仅能适应计算机技术和信息技术的快速发展和更 新换代，而且能有效保护用户原有投资；( 4 ) 操作简单，维护方便：( 5 ) 遵循统一 的标准体系结构规范，模块之间具有兼容性，部件具有互换性和互操作性。 1 3 2 国外开放式数控系统的研究与发展 开放式控制系统的概念在上世纪8 0 年代就已出现。早在1 9 8 1 年，美国国防部 就开始了名为“下一代控制器( n g c ) ”的计划，并成立了“美国国家制造科学中 心( n c m s ) ”，其主要目的是拟订并推进关于新一代开放式控制系统的详细分析与 规范。其后有许多相关的研究计划在世界各国相继启动，其中影响较大的有美国的 华中科技大学硕士学位论文 o m a c 、欧洲的o s a c a 和日本的o s e c 。这三个计划目前都已经取得了重大进展， 并且公布了部分研究成果“7 1 。 1 o s a c a ( o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) 计划 o s a c a 借鉴i s 0 的开放式系统互联模型o s i ，对现有控制系统进行了详细分析， 提出了种“分层的系统平台+ 结构功能单元”的结构。这种结构将不同的功能单 元在基于消息的平台上连接在一起。 o s a c a 控制系统的体系结构可分为两个部分：应用软件和系统平台，如图1 1 所示。应用软件即控制系统所包括的各个功能模块，以下称为a o ( a r i c h i t e c t u r e o b j e c t ) 。a 0 之间通过o s a c a 的通讯系统可相互操作，通过0 s a c a 提供的a p i 接口可运行于不同平台之上。系统平台包括系统软件( 操作系统、通讯系统、设备 驱动器等) 和系统硬件( 处理器、i 0 板等) 。 0 s a c a 的核心部分是通讯系统 ( c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) ，它屏蔽了 操作系统的差异，保证了各功能单元 ( a o ) 的可移植性和互操作性以及 系统配置文件的通用性。在o s a c a 开放式控制系统中，应用程序接口 ( a p i ) 是系统平台向外部提供服务 的通道，也是结构功能单元访闯系统 平台的唯一途径，它屏蔽了平台的真 实实现，保证了系统平台的硬件无关 性和操作系统无关性。 图1 1o s a c a 系统结构框图 2 o m a c ( o p e n m o d u l a r a r c h i t e c t u r e c o n t r o l l e r ) 计划 0 m a c 的研究目的是用更加开放、更加模块化的控制结构使制造系统更具柔 性、更加敏捷，降低控制系统的投资成本和维护费用，缩短产品开发周期，提高机 床利用率。该计划启动不久便公布了一名为“o m a c a p i ”的规范，并促成了一系 列相关研究项目的运行。这个计划的主要动机是向供应商和技术开发团体公布控制 器用户，尤其是汽车制造业的需求，以期他们明白并更好地理解用户的需求，从而 能在市场上购买到满足其要求的产品。 其研究成果可以归纳为以下几点：( 1 ) 定义了标准化的0 m a c a p i ，使得用户可 6 华中科技大学硕士学位论文 以充分发挥自己的主动性，装入自己的所需的特殊功能。( 2 ) 利用w i n d o w o s ，可 以充分利用现有的个人计算机资源如c a m 、s p c 。( 3 ) 以实时操作系统为核心，提 供高性能的控制功能。( 4 ) 利用实时数据库，可实现数据的高效、便携化。 3 o s e c ( o p e ns y s t e m e n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r ) 计划 o s e c 的研究目的是建立一个国际性的工厂自动化( f a ) 控制设备标准。o s e c 以日本国际机器人和工厂自动化研究中心( i r o f a ) 所提出的c n c 系统参考模型 为基础，提出了一个开放体系结构。他们认为开放式体系结构中各模块( 如核心控 制、操作系统、网络协议等) 相互独立，在此基础上系统厂商、机床厂和用户可以 很容易地把些专用功能和其它个性模块加入其中。o s e c 定义了一种新的n c 数 据表示法一f a d l ( - r 厂自动化描述语言) ，该语言具有能面向对象设计、能粗象硬 件、能表征曲线形状等优点。o s e c 取得了以下几项成就：( 1 ) 提出了开放式数控系 统的参照模型，并将其具体化为实体模型。( 2 ) 开发了基于p c 的人机接口系统。( 3 ) 提出并开发了新的n c 语言o s e l 。( 4 ) 开发了用于机床控制的接口( o s e c a p i ) 及 语言处理器。 从以上三个计划来看，开放式体系结构普遍采用模块化、层次化的结构，并通 过各种形式向外提供统一的应用程序接口，具有可移植性、可扩展性、可互操作性 和可缩放性等特点，即系统组成的内部开放化和系统组成各部件之间的开放化。 目前，比较有代表性的开放式数控系统产品有德国s i e m e n s 公司的s i n u m e r i k 8 4 0 d 系统，该系统可根据用户不同要求而灵活配置。机床制造商能使用o e m 程序 包修改系统的人机接口( m m c ) ，独立解决自己的问题，如开发自己的用户接口或 工艺专用的编程系统。 1 3 3 国内开放式数控系统的发展与展望 目前国内的研究主要集中在基于软件芯片的开放式数控系统，基于w i n d o w s 9 5 n t 的开放式数控系统和基于数字伺服现场总线技术的开放式数控系统，近年来 随着自由软件的快速发展，一些科研机构和数控公司也开始研究基于r t - l i n u x 的 歼放式数控系统。 1 基于软件芯片的开放式数控系统 7 华中科技大学硕士学位论文 以华中科技大学为代表提出了一种基于软件芯片的开放式数控系统的实现模 式。通过对数控软件的标准化和规范化的研究，运用面向对象的机制将数控系统 功能进行封装成为具有稳定、通用接口的可重用的软件芯片，并且通过建立个数 控系统软件芯片集成开发环境数控系统软件芯片库对软件芯片进行管理、检 索、浏览及维护和扩充。可由系统开发商或用户根据自己需要完成。 2 基于数字伺服现场总线技术的开放式数控系统 现场总线技术将大量的并行信号转化为串行信号，利用双线电缆或光缆可以在 上百台设备之间实时传递上千路的信号“。可以通过s e r c o s 协议实现工业控制计 算机和数字伺服系统、传感器和可编程控制器i o 之间的实时通信。其硬件结构只 由两块板卡即工控p c 计算机母板和s e r c o s m a s t e r 卡组成；其系统软件采用 w i n 9 x 或n t 操作系统并进行实时功能扩展。c n c 系统软件由n c 内核和p l c 内 核组成，向用户提供a p i 包和应用环境，用户可根据自己需要进行匹配。 3 基于w i n d o w s9 5 n t 的开放式数控系统 结合数控系统的实时性要求和w i n 9 x n t 的抢先式事件驱动方式与多任务处 理的特点，有两种方式实现数字控制功能“”1 ： ( 1 ) 单机控制模式。这种模式在硬件成本上最经济，但是在软件开发上是最复杂 的。c n c 系统软件的开发重点是应用程序和设备驱动程序的编制，可以很好 的吸收计算机技术的最新成果和新的算法，并可很容易地进行物理设备和操 作系统的更新换代； ( 2 ) 上下位机通信模式。这种模式有更大的灵活性，尤其对已习惯d o s 和汇编 的人来说，主要的问题是解决w i n 9 x n t 与这些模块的通信问题，采用这种 模式具有快捷方便和便于远程制造的优点。 4 基于r t l i n u x 的开放式数控系统 近年来随着自由软件的发展，l i n u x 下的数控系统的开发越来越受到人们的重 视，美国和意大利已经有开发较为成熟的r t l i n u x 操作系统。”“”。由于操作系统 源代码是公开的，加上l i n u x 系统的软件开发工具非常丰富，因此数控系统的开发 和升级要方便的多，c n c 系统软件也可以有很好的开放性。数控系统硬件平台可参 照以上其它模式。目前国内如清华大学和华中数控股份有限公司等科研机构正在进 行相关技术的研究。 8 华中科技大学硕士学位论文 在开放式体系结构方面我国数控技术急需解决的关键技术是：首先确立体系结 构和系统规范，包括软硬件设计开发规范，软硬件接口规菹，软件验证规范，系统 的可靠性设计规范等。其次是实时多任务操作系统的选取和开发，支撑体系和支撑 工具的开发，典型验证环境的建立等。 1 4 论文的立题和主要工作 本文的研究以与长江机床厂联合开发y j s - - k 0 0 2 数控铣槽机床项目为背景。 y j s - - k 0 0 2 数控铣槽机床专用于加工汽车转向器输入轴配油槽。 转向器输入轴是汽车的关键零件之一，其配油槽的加工一直是生产中的一个瓶 颈。在y j s - - k 0 0 2 数控铣槽机床生产出来之前，配油槽的加工需要增加一道工序， 就是在输入轴的配油槽下部钻一个孔用来定位，还需要熟练工人操作才能生产出一 个合格的产品，效率低，劳动强度大，废品率高，严重制约了转向器生产线的快速 发展。 针对汽车转向器输入轴配油槽的传统加工方式工序复杂、难于定位且效率不高 的问题，研制集测量和加工于一体的y j s - - k 0 0 2 数控铣槽系统。本文结合数控铣槽 机床的开发主要做以下几方面工作： 1 、从检测系统体系结构进行分析并构建测量系统，探讨对检测信号进行处理 和分析的具体方法； 2 、结合华中i 型开放式数控平台，讨论在数控系统中嵌入测量系统的扩展应 用方案。 3 、基于以上两个方面的研究，开发y j s - - k 0 0 2 铣槽机床的专用数控系统。 9 华中科技大学硕士学位论文 在开放式体系结构方面我国数控技术急需解决的关键技术是：首先确立体系结 构和系统规范，包括软硬件设计开发规范，软硬件接口规菹，软件验证规范，系统 的可靠性设计规范等。其次是实时多任务操作系统的选取和开发，支撑体系和支撑 工具的开发，典型验证环境的建立等。 1 4 论文的立题和主要工作 本文的研究以与长江机床厂联合开发y j s - - k 0 0 2 数控铣槽机床项目为背景。 y j s - - k 0 0 2 数控铣槽机床专用于加工汽车转向器输入轴配油槽。 转向器输入轴是汽车的关键零件之一，其配油槽的加工一直是生产中的一个瓶 颈。在y j s - - k 0 0 2 数控铣槽机床生产出来之前，配油槽的加工需要增加一道工序， 就是在输入轴的配油槽下部钻一个孔用来定位，还需要熟练工人操作才能生产出一 个合格的产品，效率低，劳动强度大，废品率高，严重制约了转向器生产线的快速 发展。 针对汽车转向器输入轴配油槽的传统加工方式工序复杂、难于定位且效率不高 的问题，研制集测量和加工于一体的y j s - - k 0 0 2 数控铣槽系统。本文结合数控铣槽 机床的开发主要做以下几方面工作： 1 、从检测系统体系结构进行分析并构建测量系统，探讨对检测信号进行处理 和分析的具体方法； 2 、结合华中i 型开放式数控平台，讨论在数控系统中嵌入测量系统的扩展应 用方案。 3 、基于以上两个方面的研究，开发y j s - - k 0 0 2 铣槽机床的专用数控系统。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 数控铣槽机床和检测系统体系结构 2 1 数控铣槽机床中检测系统的引入 2 1 i 铣槽机床加工原理 y j s k 0 0 2 数控铣槽机床如附图1 所示，专用于加工汽车转向器输入轴配油槽。 中间是旋转式工作台，由涡轮、蜗杆控制旋转，带动工件旋转：旋转工作台正上方 是顶尖，用来固定工件t 测头固定在工作台的测头支架上，由气动装置控制测头进 退；采用双主轴( 双刀) 加工，工件的夹紧、松开以及切削冷却由液压站控制。 露2 i 转向器输入轴加工原理厦吝生标轴的定义 转向器输入轴的数控加工原理如图2 1 所示，图中铣刀接触的凹槽即为要加工 的配油槽。机床共有七个轴( 瓜只互& 从收肋。工u 轴控制铣刀的迸退刀， 即切深进给方向。c 轴是工作台的回转轴，控制工件的旋转，加工多个配油槽时由 c 轴控制分度。由于铣刀的刀宽、直径是固定的，当被加工的槽宽大于铣刀的宽度 时，几矿轴实现铣刀的左右窜刀，控制加工凹槽的宽度。幺轴实现铣刀的上下 华中科技大学硕士学位论文 2 数控铣槽机床和检测系统体系结构 2 1 数控铣槽机床中检测系统的引入 2 1 i 铣槽机床加工原理 y j s k 0 0 2 数控铣槽机床如附图1 所示，专用于加工汽车转向器输入轴配油槽。 中间是旋转式工作台，由涡轮、蜗杆控制旋转，带动工件旋转：旋转工作台正上方 是顶尖，用来固定工件t 测头固定在工作台的测头支架上，由气动装置控制测头进 退；采用双主轴( 双刀) 加工，工件的夹紧、松开以及切削冷却由液压站控制。 露2 i 转向器输入轴加工原理厦吝生标轴的定义 转向器输入轴的数控加工原理如图2 1 所示，图中铣刀接触的凹槽即为要加工 的配油槽。机床共有七个轴( 瓜只互& 从收肋。工u 轴控制铣刀的迸退刀， 即切深进给方向。c 轴是工作台的回转轴，控制工件的旋转，加工多个配油槽时由 c 轴控制分度。由于铣刀的刀宽、直径是固定的，当被加工的槽宽大于铣刀的宽度 时，几矿轴实现铣刀的左右窜刀，控制加工凹槽的宽度。幺轴实现铣刀的上下 华中科技大学硕士学位论文 窜刀，控制加工凹槽的长度。 2 1 2 检测系统的引入 如图2 1 和图2 2 所示，工件上端为已加工 的凹槽，用来作为下面的待加工配油槽的基准， 简称定位槽。根据加工要求，待加工的配油槽 ( 位于工件的中部) 的中心线与定位槽的中心 线应有严格的位置度关系，因此，只有精确地 获取了定位槽中心线的位置，才能精确的确定 配油槽和定位槽的相对位置关系。 本项目综合考虑了以下两点来确定定位槽 的位置坐标： 圈2 2 工件示意图 1 定位槽的特点 定位槽的两边基本对称，工件旋转时，采用测头可以感应定位槽的形状变化， 只要找到定位槽两边对称的两点的坐标，取这两点坐标的平均值就求出了定位槽中 心的位置坐标。 2 数控系统可以获取各个轴的坐标 加工过程中c 轴旋转，测头的感应值反应了定位槽的表面轮廓，同时记录下测 头的感应值和旋转轴c 轴的坐标值( 可以认为这两个值是一一对应的) ，如果根据 测头感应值确定了两个对称的点，那么这两个点的坐标值也就可以确定了。 本方案引入了感应测头作为定位工具，并设计制作了数据采集板，编写了数据 采样程序，这样就组成了数控铣槽机床的检测系统。在具体叙述该机床的检测系统 前先探讨一下检测系统的基本体系结构。 2 2 检测系统的基本体系概述 2 2 1 检测系统基本组成 检测系统既可以是一般的检测装置，即简单的检测系统，也可以是一个复杂的 华中科技大学硕士学位论文 窜刀，控制加工凹槽的长度。 2 1 2 检测系统的引入 如图2 1 和图2 2 所示，工件上端为已加工 的凹槽，用来作为下面的待加工配油槽的基准， 简称定位槽。根据加工要求，待加工的配油槽 ( 位于工件的中部) 的中心线与定位槽的中心 线应有严格的位置度关系，因此，只有精确地 获取了定位槽中心线的位置，才能精确的确定 配油槽和定位槽的相对位置关系。 本项目综合考虑了以下两点来确定定位槽 的位置坐标： 圈2 2 工件示意图 1 定位槽的特点 定位槽的两边基本对称，工件旋转时，采用测头可以感应定位槽的形状变化， 只要找到定位槽两边对称的两点的坐标，取这两点坐标的平均值就求出了定位槽中 心的位置坐标。 2 数控系统可以获取各个轴的坐标 加工过程中c 轴旋转，测头的感应值反应了定位槽的表面轮廓，同时记录下测 头的感应值和旋转轴c 轴的坐标值( 可以认为这两个值是一一对应的) ，如果根据 测头感应值确定了两个对称的点，那么这两个点的坐标值也就可以确定了。 本方案引入了感应测头作为定位工具，并设计制作了数据采集板，编写了数据 采样程序，这样就组成了数控铣槽机床的检测系统。在具体叙述该机床的检测系统 前先探讨一下检测系统的基本体系结构。 2 2 检测系统的基本体系概述 2 2 1 检测系统基本组成 检测系统既可以是一般的检测装置，即简单的检测系统，也可以是一个复杂的 华中科技大学硕士学位论文 自动检测系统。通过对典型仪器检测系统的结构、功能、技术特点等的深入分析， 发现它们技术特点、功能、结构具有相似性”。3 “。检测对象不同，检测形式也各异， 但是这些检测系统的设计技术具有很大的相似性。为此，抽象出机械加工实时检测 系统的典型结构形式，进而给出其一般设计方法，将为快速重组实时检测系统将提 供一定的参考。 实时检测系统一般由计算机系统、数据采集系统、数据通信予系统、传感器系 图2 3实时检测系统的基本组成 统、检测系统运动平台等几部分组成，系统结构如图2 3 所示。 微机基本子系统连结着检测系统和控制系统，是信息处理中心，它是整个实时 检测系统的核心。其作用是对数据采集系统送来的信号进行运算、显示、存储等处 理，然后按照一定的要求，向控制系统发出命令，并通过控制系统和执行部件对被 控参数实行控制。 检测系统的运动平台和数据通信系统通常由具体的应用环境提供，在本文所叙 述的数控系统中前者指机床，后者指数控系统提供的可编程逻辑控制器。 传感器是获取工件检测数据的基本元件，它直接从被测对象中提取测量信息， 感受其变化并变换成便于处理的其他物理量。根据不同的检测对象，传感器应采取 不同的形式，传感器的选用应当与被测信号的性质相匹配。 2 2 2 检测系统中微机子系统的分类 目前，基于p c i p c 的数控系统已经成为市场主流，应用于数控加工的实时检 测系统的微机子系统也就是p c i p c 系统，它分为内插式、外接式和组合式三种。 华中科技大学硕士学位论文 1 内插式 图2 4内插式检测系统构成 如图2 4 所示，它是将输入或输出接口电路制成印制板的插板形式，并直接插 入p c 机主机箱内的扩展槽内，通过计算机的各种系统总线与c p u 交换信息。该结 构特点是构成简便，结构紧凑，成本低，但是可用于输入输出的扩展槽比较少， 灵活性也较差。 2 外接式 如图2 5 所示，它是将输入接口与输出接口安装于p c 机箱外部一个独立的专 用机箱中，并通过外部总线与p c 机通信和传递数据。其特点是灵活方便，适用于 多通道、高速数据采集的场合。 圈2 5外接式检测系统构成 3 组合式 组合式系统是将内插式和外接式两种方式有机地结合起来，兼有两种方式的优 点和特长。如图2 6 所示，输入接口与输出接口安装于p c 机箱外部一个独立的专 用机箱中，同时在p c 机内部扩展槽内也安装有接口板。 华中科技大学硕士学位论文 图2 6 纽台式检测系统构成 2 2 3 传感器与机床的连接方式 传感器与机床的连接，可以采用活动式和固定式两种方式，这取决于用户的要 求和机床工作台的具体环境。 1 活动连接 活动式连接如图2 7 所示，这种连接方式简单，对机床的工作台没有特殊的要 求，常用的方法是用电磁吸盘将固定传感器的测头吸附在检测所需要的合适位置， 检测系统与数控系统组合或分开都很方便，用户可根据需要决定整个系统的功能要 求，不需要额外的硬件成本。该方法的缺点为：由于测头是活动的，测量坐标系无 法固定在同一位置，这使得测头在机床坐标系中的位置也是可变的，因此，检测数 据的后置处理应根据测头的实际位置进行调整。 图2 7传感器与机床的活动连接 华中科技大学硕士学位论文 2 固定连接 如果采用固定式连接，如图2 8 所示，机床工作台上应设计一个固定测头的支 架，测头相对机床坐标系的位置就固定不动了，这样测量坐标系固定不变，检测数 据就无需根据测头的位置做出调整。该方法的缺点为：测头的支架永久固定在机床 上，不利于检测系统与数控系统的组合与分开。 2 2 4 检测系统设计原则 图2 8 传感器与机床的周定连接 数据采集系统是传感器信号的输入通道，为了便于系统的扩展、重用，设计通 常要遵循下面几个原则： 1 总线化准则 以p c 为核心的实时检测系统，总线是构成系统的重要组成部分。它是芯片与 芯片、模板与模板、系统与系统之间信息传递的通道，是p c 与检测系统和控制系 统的桥梁和纽带。采用标准化的通用总线，可大大简化系统的软、硬件设计，使系 统结构清晰明了，易于扩充和升级，兼容性强。 2 模块化准则 采用模块化设计准则，可以将研制任务分解，分别独立设计、调试，从而缩短 设计周期。另一方面采用模块化设计的电路系统功能相对独立，易于维护、修改和 扩充。 3 可靠性准则 可靠性对于实时检测系统来说是十分重要的，要提高设计的可靠性有两个途 径：一是在工艺上提高电路元器件本身的可靠性，将元器件失效的影响降到最低程 度；二是在系统结构设计方面提高系统的可靠性和合理性，避免设计不当造成的可 靠性下降。 华中科技大学硕士学位论文 2 3